[论文解读] High resolution imaging of reconstructed domains and moire patterns in functional van der Waals heterostructure devices

Andrey Sushko, Kristiaan De Greve+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2019

Graphene research and applications参考文献 30被引用 15

一句话总结

本研究提出一种无损的二次电子显微技术，可直接在标准硅基底上成像功能型范德华异质结构器件中的原子堆叠顺序及莫尔超晶格。该方法实现了对过渡金属二硫属化合物中重构莫尔图案、石墨烯多层中的堆叠序列以及双层石墨烯中AB/BA边界处的高分辨率可视化，直接关联局部结构与电子和光学性质。

ABSTRACT

The optical and electronic properties of van der Waals (vdW) heterostructures depend strongly on the atomic stacking order of the constituent layers. This is exemplified by periodic variation of the local atomic registry, known as moire patterns, giving rise to superconductivity and ferromagnetism in twisted bilayer graphene and novel exciton states in transition metal dichalcogenides (TMD) heterobilayers. However, the presence of the nanometer-scale moire superlattices is typically deduced indirectly, because conventional imaging techniques, such as transmission electron microscopy (TEM), require special sample preparation that is incompatible with most optical and transport measurements. Here, we demonstrate a method that uses a secondary electron microscope to directly image the local stacking order in fully hexagonal boron nitride (hBN) encapsulated, gated vdW heterostructure devices on standard Si-substrates. Using this method, we demonstrate imaging of reconstructed moire patterns in stacked TMDs, ABC/ABA stacking order in graphene multilayers, and AB/BA boundaries in bilayer graphene. Furthermore, we show that the technique is non-destructive, thus unlocking the possibility of directly correlating local stacking order with optical and electronic properties, crucial to the development of vdW heterostructure devices with precisely controlled functionality.

研究动机与目标

• 开发一种无损方法，直接成像功能型范德华异质结构器件中的局部原子堆叠顺序。
• 克服传统成像技术（如透射电镜）的局限性，后者需要破坏性样品制备，与电学和光学测量不兼容。
• 实现在范德华异质结构中，局部堆叠顺序与电子或光学性质之间的直接关联。
• 在实际器件中可视化复杂结构特征，如重构莫尔图案和堆叠域边界。

提出的方法

• 在标准硅基底上，对完全由六方氮化硼（hBN）封装、带有栅极的范德华异质结构器件进行二次电子显微术（SEM）表征。
• 利用二次电子发射对二维材料中局部原子对齐和堆叠顺序的内在敏感性。
• 利用SEM的高空间分辨率，无需样品解理或真空转移即可分辨纳米尺度的莫尔超晶格。
• 在环境条件下进行成像，保持器件功能完整，便于后续电学和光学表征。
• 依赖二次电子发射的对比变化来绘制堆叠域和莫尔图案。
• 通过已知的石墨烯和过渡金属二硫属化合物异质结构中的堆叠构型验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 二次电子显微术是否可在无需破坏性样品制备的情况下分辨功能型范德华异质结构器件中的局部堆叠顺序？
• RQ2 该无损方法在实际器件中成像莫尔超晶格和重构域的准确性如何？
• RQ3 观测到的二次电子发射对比在多大程度上可与特定原子堆叠构型相关联？
• RQ4 该技术能否区分多层石墨烯中的ABC/ABA堆叠顺序以及双层石墨烯中的AB/BA堆叠顺序？
• RQ5 该方法是否与功能器件在成像后进行的电学和光学测量兼容？

主要发现

• 该方法成功实现了对堆叠过渡金属二硫属化合物中重构莫尔图案的纳米尺度分辨率可视化。
• 二次电子发射中明显的对比变化使得ABC与ABA堆叠序列在多层石墨烯中得以清晰识别。
• 双层石墨烯中的AB与BA堆叠边界被直接成像，证实了具有特征对比信号的畴壁存在。
• 该技术为无损方法，保持器件完整性，适用于后续电学和光学测量。
• 在标准硅基底上实现了高分辨率成像，无需特殊样品制备或真空转移。
• 现在可实现成像的堆叠顺序与功能器件性质之间的直接关联，为器件工程开辟了新途径。